package com.tys.algorithm.advanced.code.class04;


import java.util.Arrays;

/**
 * 归并排序：递归和非递归
 */
public class Code01_MergeSort {

    // 方法1：递归方法实现
    public static void mergeSort1(int[] arr) {
        if (arr == null || arr.length < 2) {
            return;
        }
        process(arr, 0, arr.length - 1);
    }

    // 请把arr[L..R]排有序
    // L...R N
    // 使用Master公式：T(N) = 2 * T(N / 2) + O(N)
    // 时间复杂度： O(N * logN)
    public static void process(int[] arr, int L, int R) {
        //只有一个时直接返回
        if (L == R) { // base case
            return;
        }
        //求中值
        int mid = L + ((R - L) >> 1);
        process(arr, L, mid);//左有序
        process(arr, mid + 1, R);//右有序
        merge(arr, L, mid, R);//合并
    }

    //合并，arr 在 L...M有序，M+1...R有序
    public static void merge(int[] arr, int L, int M, int R) {
        //帮助数组存放排序后的数
        int[] help = new int[R - L + 1]; //L...R有几个数
        int i = 0;
        int p1 = L; //左侧范围
        int p2 = M + 1; //右侧范围

        //左边p1和右边p2都不能越界
        while (p1 <= M && p2 <= R) {
            //谁小拷贝谁，并移动
            help[i++] = arr[p1] <= arr[p2] ? arr[p1++] : arr[p2++];
        }
        // 要么p1越界了，要么p2越界了, 只会发生一个
        //p1没越界
        while (p1 <= M) {
            help[i++] = arr[p1++];
        }
        //p2没越界
        while (p2 <= R) {
//            printArray(arr);
//            System.out.println("arr.length:" + arr.length + ",help.length:" + help.length);
//            System.out.println("L:" + L + ", M:" + M + ",R:" + R);
//            System.out.println("i:" + i + ",p2:" + p2);
            help[i++] = arr[p2++];
        }
        //排好序的填入数组
        for (int j = 0; j < help.length; j++) {
            arr[L + j] = help[j];
        }
    }

    // 方法2：迭代方式，非递归方法实现
    public static void mergeSort2(int[] arr) {
        if (arr == null || arr.length < 2) {
            return;
        }
        int N = arr.length;
        // 步长初始为1
        int mergeSize = 1;
        //循环增加步长
        while (mergeSize < N) { // log N
            // 当前左组的，第一个位置
            int L = 0;

            //循环合并左组和右组
            //边界：L不能超过N
            while (L < N) {
                //边界：够的情况下左组最右位置，也就是中点：下标从0开始所以-1
                int M = L + mergeSize - 1;
                //边界：左组不够就结束
                if (M >= N) {
                    break;
                }
                //左组够，右组边界
                // 右组够：R=M + mergeSize,
                // 右组不够：R=N-1位置
//                System.out.println("M:" + M + ", mergeSize:" + mergeSize +
//                        ", (M+mergeSize):" + (M + mergeSize) + ", (N-1)" + (N - 1));
                int R = Math.min(M + mergeSize, N - 1);
                //左组: L ... M 右组: M+1 ... R
                //左组和右组必有序，合并左组和右组
                merge(arr, L, M, R);
                L = R + 1; //下一个左组位置
            }
            //防止溢出，步长超过数组长度就会造成溢出，变为负值，整数最大值
            //N=9，步长4 = N/2,不能停 4*2=8 并没有越界，需要到步长为8时才会越界，8*2=16
            if (mergeSize > N / 2) {
                break;
            }

            //步长增加 新步长=老步长*2
            mergeSize <<= 1; //每次*2 步长*2
        }
    }

    //方法3：非递归
    public static void mergeSort3(int[] arr) {
        if (arr == null || arr.length < 2) {
            return;
        }
        int N = arr.length;
        int mergeSize = 1; //步长
        while (mergeSize < N) {
            int L = 0;  //当前左组的第一个位置
            while (L < N) {
                //N-L是剩余的数据
                if (mergeSize >= N - L) { //左组不够时跳出
                    break;
                }
                int M = L + mergeSize - 1;
                int R = M + Math.min(mergeSize, N - M - 1); //右组
                merge(arr, L, M, R);
                L = R + 1; //下一个左组位置
            }
            //防止溢出，步长超过数组长度就溢出变为负值，整数最大值
            if (mergeSize > N / 2) {
                break;
            }
            mergeSize <<= 1; //步长*2
        }
    }

    // for test
    public static int[] generateRandomArray(int maxSize, int maxValue) {
        int[] arr = new int[(int) ((maxSize + 1) * Math.random())];
        for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
            arr[i] = (int) ((maxValue + 1) * Math.random()) - (int) (maxValue * Math.random());
        }
        return arr;
    }

    // for test
    public static int[] copyArray(int[] arr) {
        if (arr == null) {
            return null;
        }
        int[] res = new int[arr.length];
        for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
            res[i] = arr[i];
        }
        return res;
    }

    // for test
    public static boolean isEqual(int[] arr1, int[] arr2) {
        if ((arr1 == null && arr2 != null) || (arr1 != null && arr2 == null)) {
            return false;
        }
        if (arr1 == null && arr2 == null) {
            return true;
        }
        if (arr1.length != arr2.length) {
            return false;
        }
        for (int i = 0; i < arr1.length; i++) {
            if (arr1[i] != arr2[i]) {
                return false;
            }
        }
        return true;
    }

    // for test
    public static void printArray(int[] arr) {
        if (arr == null) {
            return;
        }
        for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
            System.out.print(arr[i] + ", ");
        }
        System.out.println();
    }

    // for test
    public static void main(String[] args) {
        int testTime = 500000;
        int maxSize = 10;
        int maxValue = 100;
        System.out.println("测试开始");

        int[] err = {-49, 54, -81};
        mergeSort2(err);
        for (int i = 0; i < testTime; i++) {
            int[] arr = generateRandomArray(maxSize, maxValue);
            int[] arr1 = copyArray(arr);
            int[] arr2 = copyArray(arr);
            int[] arr3 = copyArray(arr);
            mergeSort1(arr1);
            mergeSort2(arr2);
            mergeSort3(arr3);
            Arrays.sort(arr);
            if (!isEqual(arr1, arr)) {
                System.out.println("出错了 mergeSort1");
                printArray(arr1);
                printArray(arr);
                break;
            }
            if (!isEqual(arr2, arr)) {
                System.out.println("出错了 mergeSort2");
                printArray(arr2);
                printArray(arr);
                break;
            }

            if (!isEqual(arr3, arr)) {
                System.out.println("出错了 mergeSort3");
                printArray(arr3);
                printArray(arr);
                break;
            }
        }
        System.out.println("测试结束");
    }

}
